Comparatif des technologies solaires photovoltaïques

Ici, nous résumons différentes technologies de panneaux photovoltaïques. Le silicium cristallin et le silicium amorphe sont les plus connues, ils représentent plus de 80 % du marché mondial . Mais d’autres matériaux semi-conducteurs sont également employés pour la fabrication des panneaux, à savoir le CuInSe2(en abrégé CIS et son dérivé le CIGS), le CdTe (tellururede cadmium) et le GaAs (arséniure de gallium).

Les cellules au silicium cristallin sont encore les plus répandues, avec un rendement de 15 à 19%. On trouve :

Silicium monocristallin :

La cellule est composée de monocristal, d’aspect uniforme, bleu-gris ou noir, avec un bon rendement à fort et moyen éclairement, il est à la base des panneaux les plus performants après ceux à l’arséniure de gallium.

Silicium polycristallin (ou multicristallin) :

La cellule a une forme carrée, le coin n’étant pas coupé comme pour les cellules monocristallines obtenues depuis des lingots circulaires. C’est un peu moins performant, surtout dans des conditions de d’éclairement modérée, et c’est moins couteux.

Silicium amorphe :

Il n’est pas aussi puissant au soleil que les deux premiers. En revanche, ce silicium en couche très mince répond à tous les éclairements, extérieur aussi bien qu’intérieur. Sa technologie de fabrication est théoriquement moins chère, et permet de réaliser des petits formats, grâce à la mise en série intégrée et la simplicité de découpe.

Silicium polycristallin en couche mince :

Entre les matériaux cristallins et les couches minces amorphes, il existe une autre classe de matériaux, qui sont les couches minces polycristallines. Le silicium polycristallin en couche mince serait intéressant notamment s’il pouvait allier le rendement du silicium cristallin à fort éclairement, la simplicité de fabrication des films minces et leurs bonnes performances à faible éclairement et sous forte température. Mais le matériau est toujours en stade d’études en laboratoire.

Ces cellules cristallines «classiques» disponibles sur le marché ont actuellement un rendement de 15 à 19% . Voyons maintenant deux autres technologies à base de silicium cristallin, qui donnent encore de meilleurs résultats. Il y a :

Les cellules inter-digitées dites ‘’back-contact’’ :

Ce procédé a maintenant sa place parmi les panneaux classiques, produits industriellement sur silicium monocristallin, avec des rendements panneaux pouvant atteindre 22,4% sur les cellules et 20,1% sur les panneaux.

Ensuite, de telles cellules sont également produites sur du silicium polycristallin avec un rendement de 18,5 %.

Dans une telle cellule, on n’a plus une seule jonction p-n, se trouvant en face avant et perpendiculaire à l’entrée de la lumière, mais plusieurs jonctions n-p interconnectées, localisées en face arrière. Ces panneaux caractérise par le fait qu’ils n’ont pas de contacts en face avant: ils sont tous reportés derrière la cellule et donc invisibles sur un panneau d’où le nom «back-contact».

Avec cette technologie, on a des panneaux de plus de 310W sur une surface où les panneaux en silicium classique ne sont que de 260-270W, représentant ainsi la solution technique la plus performante en termes de rendement actuellement. Pour le coût de ces panneaux, on peut dire qu’il est presque le même de celui de la technologie silicium classique, grâce à une optimisation intelligente des différentes étapes du procédé.

Les cellules à hétérojonction dites «HIT» ou «HIP» :

Une hétérojonction est une jonction photovoltaïque composée de matériaux différents. Les cellules HIT, pour « Heterojunction with Intrinsic in layer », sont composées d’un wafer de silicium cristallin et de couches minces de silicium amorphe. L’objectif est de bénéficier des avantages du cristallin: meilleur rendement à fort éclairement, et du silicium amorphe: meilleure sensibilité aux faibles éclairements et à la lumière bleue.

Le constructeur annonce des cellules à 20% de rendement et offre des panneaux de 16 à 17%. La technologie est encore récente.

Maintenant, nous allons voir les autres semi-conducteurs comme le tellurure de cadmium (CdTe), les alliages à base de cuivre, d’indium et de sélénium (CIS ou CIGS), et l’arséniure de gallium (GaAs) .

Arséniure de gallium (GaAs) :

Ce matériau a un très haut rendement, très couteux du fait des éléments utilisés, et il n’est employé que pour des panneaux solaires de satellites ou sur des systèmes à concentration, où des miroirs paraboliques sont utilisés pour concentrer le rayonnement solaire sur les panneaux.

Dans ces applications, on se base généralement pour la sélection sur le rendement et le poids, et non le prix !

Tellurure de cadmium (CdTe) :

Ce matériau est Intéressant surtout pour son coût de fabrication qui est devenu très bas ces dernières années, représente aujourd’hui le leader incontesté des couches minces. En termes de performances, il se trouve au niveau des meilleures multi-jonctions silicium amorphe, présentant un assez bon rendement au soleil, mais également sous ensoleillement réduit ou diffus, avec une durée de vie de 25 ans.

Toutefois, plusieurs facteurs risquent de limiter le développement de la technologique CdTe : la raréfaction de tellure Te, élément rare et cher, et surtout la toxicité du cadmium. Le cadmium est dangereux à utiliser au moment de la fabrication et du recyclage des panneaux, mais une fois ﬁxé dans un panneau solaire il ne présente pas de risque pour les installateurs ou les utilisateurs.

CuInSe2 (CIS) et CuInGaSe (CIGS) :

Cette technologie a de bonnes propriétés électroniques. Mais elle est assez peu commercialisée dans le monde, à cause des difficultés d’industrialisation et de tenue climatique, mais surtout en raison du cadmium qu’elle contient.

Le tableau ci-dessous résume les différentes technologies de panneaux solaire. Ces données sont des valeurs typiques, qui varient d’un constructeur à l’autre, et sont susceptibles d’évoluer : à vérifier donc ces paramètres auprès des revendeurs ou des fabricants.

Comparatif des technologies solaires photovoltaïques

	Silicium monocristallin	Silicium polycristallin	Silicium amorphe	GaAs	CdTe	CIS, CIGS
Rendement énergétique des panneaux	15 -20 % STC	12-17%STC	5-7 % STC (Jusqu’à 12% pour les multi-jonctions)	25-40 % STC	8-10 % STC	10-12% STC
Puissance des panneaux	5-300 Wc	5-300 Wc	0,5-90 Wc		70-90 Wc	5-150 Wc
Gamme d’éclairement	100-1000 W/m2	200-1000 W/m2	20 lux en intérieur- 1000 W/m2 en extérieur		Extérieur
Usages	-Télécoms-Habitat-Centrales -Toits solaires	id. silicium cristallin	-électronique professionnelle et grand public (montres, calculettes…)-électronique de faible consommation en extérieur-baies vitrées semi-transparentes -centrales au sol	-satellitesconcentrateurs	-centrales solaires principalement.	alimentations de faible et moyenne puissance en extérieur-habitat raccordé au réseau